PEREKAYASAAN PERANGKAT RADIOGRAFI DIGITAL UNTUK INDUSTRI

Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN – BATAN, 14 November 2013

PEREKAYASAAN PERANGKAT RADIOGRAFI DIGITAL UNTUK INDUSTRI Kristedjo Kurnianto, Indarzah Masbatin Putra, dan I Putu Susila

PRPN – BATAN, Kawasan Puspiptek, Gedung 71, Tangerang Selatan, 15310

ABSTRAK PEREKAYASAAN PERANGKAT RADIOGRAFI DIGITAL UNTUK INDUSTRI. Perkembangan teknologi digital saat ini memberikan fitur yang sangat menjanjikan dalam penerapannya dalam teknik uji tak merusak khususnya radiografi. Kegiatan perekayasaan digital radiografi ini bertujuan untuk mendapatkan sebuah sistem digital radiografi yang memenuhi standar radiografi digital untuk memperoleh citra 2 dimensi dan kemungkinan pengembangan untuk mendapatkan citra 3 dimensi (tomografi). Kegiatan perekayasaan meliputi pemilihan detektor, konfigurasi sistem, desain meja putar dan pembuatan perangkat lunak kendali serta pengolahan citra. Hasil rancangan sudah memenuhi syarat sebuah sistem digital radiografi yang aplikasinya digunakan untuk inspeksi produk pengecoran logam. Perangkat lunak LabVIEW dengan opsi Vision sudah memenuhi syarat berbagai fungsi dalam pengolahan citra dan analisis citra hasil radiografi digital. Kata kunci: radiografi digital, pengolah citra, desain meja putar, perangkat lunak kendali.

ABSTRACT INDUSTRIAL DIGITAL RADIOGRAPHY EQUIPMENT DESIGN.The development of digital technology has provided a significant promising features in non distructive test techniques, especially in radiography. The purpose of this industrial digital radiography equipment design is to provide owned design digital radiography system which provide a two dimensional image and, for the near future, a three dimensional image (Tomography). The scope of design consist of detector selection, system configuration design, rotary table design and software development for control and image processing. Experimental results show that the design is enough to fulfill digital radiography standard and could be applied in casting product inspection. The LabVIEW include with vision option software has shown a good performance in handling image processing and image analysis of digital radiography image. Keywords: digital radiography, image processing, rotary table design, software development for control.

1. PENDAHULUAN Teknik uji tak merusak sangat penting dalam menjamin mutu berbagai komponen dalam industri. Salah satu teknik uji tak merusak yang sangat bermanfaat adalah radiografi karena dengan teknik ini kita dapat melihat bagian dalam sebuah benda bantuan sinar-x atau sinar gamma yang memiliki daya tembus tinggi. Teknik radiografi

- 261 -


konvensional

dilakukan

dengan

menggunakan

film

sehingga

memiliki

banyak

keterbatasan seperti pemrosesan film lama dan membutuhkan zat-zat kimia yang tidak ramah lingkungan. Disamping itu proses analisis radiografi dengan menggunakan film sangat terbatas, mengingat kemampuan mata manusia yang spektrumnya terbatas. Sejalan dengan perkembangan teknologi digital, saat ini keberadaan film sudah digantikan

dengan

beberapa

metoda

lain

seperti

penggunaan

CR

(Computer

Radiography), IDR (Indirect Digital Radiography) dan DDR (Direct Digital Radiography). Metoda CR menggunakan storage phosporus plate, atau biasa disebut imaging plate, sebagai ganti film dan menggunakan scanner khusus untuk mengkonversi menjadi data digital dan jika diperlukan dapat menghapus citra dalam plate tersebut. Imaging plate dapat digunakan hingga sekitar 1000 kali. Metoda IDR menggunakan uminescent screen sensitive to X-rays yang dipasang pada sebuah intensifier dimana citra yang dihasilkan kemudian ditangkap dengan menggunakan kamera CCD. Teknik DDR merupakan teknologi termutakhir dimana citra digital langsung diperoleh dengan menggunakan photo conductor, metode sintilasi atau dengan detektor CMOS. Perekayasaan perangkat digital Radiografi untuk industri saat ini sangat diperlukan karena penggunaan teknik uji tak merusak ini sangat luas penggunaanya dalam industri manufakturing sebagai kendali kualitas maupun dalam inspeksi rutin. Perkembangan teknik digital memberikan keunggulan dalam waktu pengolahan dan analisis citra radiografi. Dengan menempatkan benda uji di antara pesawat sinar-x atau sumber gamma dan perangkat penangkap citra digital, proses analisis akan dapat langsung dilakukan tanpa harus menunggu waktu pengembangan film

dalam

radiografi

konvensional atau proses scanning pada CR. Pada tahap pertama, perekayasaan perangkat digital radiografi untuk industri ini akan menitik beratkan pada perolehan citra radiografi sesuai dengan standar radiografi yang ada. Untuk mencapai standar ini akan dikembangkan perangkat akusisi citra, peningkatan rasio sinyal-derau dan penerapan berbagai teknik filtering. Pada tahap kedua, perekayasaan perangkat ini akan dikembangkan pada perangkat radiografi yang memiliki kemampuan tomografi. Benda uji diletakkan pada meja putar yang secara terintegrasi dikendalikan dengan perangkat penangkap citra. Hasil rekonstruksi ditampilkan dalam citra 3D dan dapat dipotong-potong dari berbagai sudut untuk menampilakan tampang lintang obyek sehingga dapat diperoleh informasi struktur bagian internal dengan baik. Ruang lingkup bahasan dalam tulisan ini adalah perekayasaan perangkat direct digital radiography (DDR) untuk memperoleh citra digital sesua dengan standar radiografi yang ada. Selain itu pada tahun ini juga dilakukan perancangan mekanik serta kendali

- 262 -


meja putar untuk mempersiapkan tahapan berikutnya yaitu perekayasaan CT (Computed Tomography) untuk industri. Citra digital diperoleh dengan menggunakan detektor flat panel, yang kemudian citranya diolah secara digital dengan mengunakan program LabVIEW. Program LabVIEW juga digunakan untuk mengendalikan unit pengendali pesawat sinar-x. Perekayasaan perangkat ini menitik beratkan pada inspeksi material casting dan dilakukan atas kerja sama PRPN dan PATIR BATAN.

2. TEORI Sinar-x, yang merupakan bagian utama dalam radiografi, adalah merupakan radiasi elektro magnetik yang dalam spektrum gelombang elektro magnetik memiliki panjang gelombang yang lebih pendek dan energi yang lebih tinggi (104 – 107 ev) dari cahaya biasa sehingga memiliki daya tembus yang tinggi. Tingkat energi inilah yang menentukan daya tembus sinar-x pada benda uji. Prinsip kerja pembangkitan sinar-x dapat dilihat pada Gambar 1 berikut ini.

Gambar 1. Skema dan Prisip Kerja Pesawat Sinar-x[1] Sinar-x dipancarkan dari kutub anoda melalui proses perlambatan yang menghasilkan spektrum kontinyu yang biasa disebut dengan proses Bremsstrahlung. Istilah spektrum menjadi lebih dipahami dalam grafik intensitas radiasi (I0)versus energi radiasi (E). Perubahan arus akan menentukan intensitas sinar-x, sedangkan peningkatan tegangan akan meningkatkan energi maksimum sekaligus meningkatkan intensitas dan energi rata-rata. Pengaruh perubahan arus dan tegangan sinar-x dapat dilihat pada Gambar 2a dan Gambar 2b.

- 263 -


Gambar 2a. Perubahan intensitas I0 mengikuti perubahan arus [1]

Gambar 2b. Perubahan energi maksimum dan energi rata-rata mengikuti perubahan tegangan [1]

Interaksi sinar-x dengan benda uji secara umum dapat diklasifikasikan dalam interaksi foto absorbsi dan hamburan. Intensitas sinar-x akan menurun dengan bertambah tebalnya materi yang dilewatinya. Secara umum atenuasi intensitas sinar-x dapat ditunjukkan pada persamaan (1)

I = I 0 ×e-

m×w

(1)

dengan I adalah intensitas dibelakang spesimen, I0 adalah intensitas tanpa atenuasi,

μ

adalah koefisien atenuasi (nilainya tergantung energi dan material) dan ω adalah ketebalan spesimen. Sebagai acuan dalam radiografi Gambar 3 dapat digunakan untuk memperkirakan penurunan intensitas sebagai fungsi ketebalan dan jenis material spesimen.

- 264 -


Gambar 3. Kurva atenuasi berbagai jenis material [1] Untuk keperluan radiografi biasanya dibutuhkan intensitas dan energi rata-rata tertentu yang sesuai dengan jenis dan ukuran spesimen. Untuk tujuan inilah biasanya dibutuhkan pre-filtering untuk menurunkan intensitas dan menaikkan energi rata-rata. Material filter yang biasa digunakan adalah Aluminium dengan ketebalan 1- 5 mm dan Tembaga dengan ketebalan 0.2 – 1 mm. Modifikasi spektrum dengan pre-filtering ini dapat dilihat pada Gambar 4.

Gambar 4. Modifikasi spektrum sinar-x dengan menggunakan pre-filtering[1] Secara umum, pengendalian sinar-x dalam radiografi dapat dilakukan dengan mengatur arus, mengatur tegangan dan mengatur jenis dan ketebalan pre-filtering. Peningkatan tegangan bertujuan untuk meningkatkan energi sinar-x, meningkatkan daya tembus, meningkatkan intensitas sinar-x. Peningkatan arus bertujuan meningkatkan intensitas dengan tanpa meningkatkan daya tembus. Pre-filtering bertujuan untuk mengurangi porsi radiasi energi rendah, mengurangi intensitas dan memungkinkan daya tembus pada rentang spesimen yang lebih tebal.

- 265 -


Gambar 5. Ilustrasi pengaruh energi terhadap perbedaan intensitas (kontras) [1] Pengaturan tegangan, arus dan pre-filtering dalam radiografi berhubungan dengan kualitas citra yang dihasilkan. Kualitas citra biasanya dinilai dari kontras dari citra yang dipengaruhi oleh besarnya derau dari sinyal yang tidak diinginkan dalam citra. Perbandingan antara sinyal dan derau, SNR (signal-to-noise ratio) didefinisikan sebagai perbandingan antara nilai intensitas sinyal I0 dengan amplitudo noise σ. Nilai kontras sebuah citra radiografi biasanya dinyatakan dalam CNR (contrast-to-noise ratio) yang didefinisikan sebagai perbandingan rata-rata perbedaan antar intensitas dalam cacat (flaw) dan material sekitarnya amplitudo noise σ [1].

SNR =

I0 s

(2)

Gambar 6. Pengaruh SNR dan CNR pada tampak tidaknya “notch” dalam radiogafi [1] Dalam radiografi digital, kualitas citra dalam mendeteksi cacat ditentukan dari nilai CNR dibagi perbedaan ketebalan dalam cacat (Δw). Nilai perbandingan ini sama dengan perkalian antara SNR dan μeff , lihat persamaan (3). Nilai SNR ditentukan oleh waktu ekspose, arus tabung sinar-x, efisiensi detektor dan struktur detektor, sedangkan nilai μeff ditentukan oleh material, tegangan tabung sinar-x, proteksi hamburan, screen dan filter.

- 266 -


CNR = SNR ×meff D w

(3)

Selain pengaturan parameter-parameter di atas, fakta bahwa berkas sinar x yang dipancarkan dari tabung sinar-x tidak berasal dari satu titik tapi dari focal spot dengan diameter sebesar d. Hal ini mengyebabkan citra yang dihasilkan menjadi tidak tajam. Ketidak tajaman geometrik (geometrical unsarpness) ug, merupakan ukuran yang harus diperhatikan selain faktor pembesaran M, yang ditentukan oleh jarak focal spot ke spesimen FOD (Focal spot-Object-Distance) dan jarak focal spot ke detector FDD (Focal spot-Detector-Distance)

Gambar 7. Kondisi realistis (non ideal) dalam pencitraan radiografi [1]

Ketidaktajaman geometrik dinyatakan dalam persamaan (4) di bawah ini

æ FDD ö ug = d ×ç -1÷= d ×(M - 1) è FOD ø

(4)

3. TATAKERJA (BAHAN DAN METODE) RANCANGAN Bahan dan peralatan yang digunakan dalam perekayasaan Digital Radiografi untuk industri meliputi penentuan spesifikasi detektor flat panel, pengadaan flat panel, pembuatan sistem kendali untuk meja putar dan kendali pengendali tabung sinar-x serta desain sistem secara keseluruhan untuk mendapatkan citra yang memenuhi standar radiografi digital. Disamping itu dilakukan pemilihan perangkat lunak yang akan digunakan sebagai pengendali sistem sekaligus sebagai alat bantu dalam analisis citra. 3.1 Tabung sinar-x dan pengendali

- 267 -


Tabung sinar-x yang akan digunakan dalam kegiatan ini adalam tabung sinar-x milik PATIR-BATAN yang dilengkapi dengan sistem pendingin sehingga dapat dioperasikan secara kontinyu. Modul kendali tabung terletak terpisah dan berada di ruang yang berbeda untuk menghindari paparan radiasi yang tidak diinginkan pada operator. Parameter unit kendali yang akan diintegrasikan dengan sistem adalah tegangan dan arus tabung sinar-x. Untuk lebih jelasnya, gambar tabung dan unit kendali tabung sinar-x yang akan digunakan tampak pada Gambar 8 berikut ini.

Gambar 9. Tabung Sinar-x dan unit kendali milik PATIR – BATAN.

3.2 Detektor Flat Panel Prinsip kerja detektor penangkap citra digital adalah menggunakan detektor array yang berbasiskan konversi sinar-x menjadi muatan listrik yang dapat dibaca. Bahan Silikon amorphous (a-Si) digunakan sebagai bahan semikonduktor untuk tujuan ini. Secara praktis dalam NDT ada dua metode yang digunakan yaitu metode langsung (konversi dengan menggunakan foto konduktor) dan metode tak langsung (konversi menjadi cahaya dengan menggunakan sintilator).

Gambar 9. Gambar tampang lintang CMOS detektor dengan sintilator CSiTl[1] Pada metode tak langsung, digunakan matriks foto-diode yang dapat mengonversi cahaya dan sinar-x menjadi muatan listrik. Pada setiap foto diode, muatan pembawa

- 268 -


diintegrasikan untuk jangka waktu tertentu sebelum dibaca setiap pikselnya untuk mendapatkan representasi grafis dalam akusisi data. Setiap foto diode di hubungkan dengan batas switch TFT (TFT = Thin Film Transistor) yang secara aktif membaca akumulasi muatan pada titik tertentu dalam suatu waktu. Untuk lebih jelasnya proses akusisi data pada detektor flat panel dapat dilihat pada Gambar 9. Dengan pertimbangan tingkat resolusi, energi, ukuran detektor dan harga. Akhirnya diputuskan penggunaan detektor jenis DMC 12 DR produk Dongmun Korea, yaitu detektor berbasiskan matriks TFT aktif yagn dikopel langsung dengan amorphous Si. Meskipun detektor ini digunakan umumnya untuk keperluan medis, namun secara umum, produsen detektor ini menyatakan bahwa detektor ini dapat juga digunakan untuk radiografi industri. Spesifikasi detektor flat panel yang digunakan tampak pada tabel 1 berikut ini. Tabel 1. Parameter dan spesifikasi detektor flat panel [4] Parameter Detektor

Spesifikasi

Matriks piksel

2080 x 2560 piksel

Area Aktif Piksel

264 x 325 mm

Piksel Pitch

127 μm

Konversi A/D

14-bit

Grayscale

16384

Rentang dinamis

>73 dB

Resolusi

3,9 lp/mm

Rentang Energi

40 – 150 KVp

Output data

Ethernet 100 Mbps

Ukuran

422 x 403 x 22 mm

3.3 Sistem Kendali Lego Mindstorm NXT Untuk kepentingan kendali dalam kegiatan ini digunakan kit LEGO Mindstorm NXT 2.0. Mindstorms NXT 2.0 menggabungkan fleksibilitas tak terbatas dari sistem bangunan Lego dengan komponen brick mikro cerdas dan intuitif dengan perangkat lunak pemrograman drag-and-drop. Salah satu keunggulan lain pada sistem ini adalah memungkinkannya integrasi perangkat lunak dengan program LabVIEW yang akan digunakan sebagai induk perangkat lunak dalam kegiatan ini. Setiap kit Mindstorm NXT 2.0 terdiri atas :

- 269 -




Komponen cerdas NXT Lego Bricks mempunyai fitur mikroprosesor 32-bit, layar matriks yang besar, 4 input dan 3 output port, dan Bluetooth dan USB link untuk komunikasi; baterai tidak termasuk



Tiga motor servo interaktif; empat sensor (Sensor Ultrasonik, 2 Sensor Sentuh dan Sensor Warna)



Sensor Warna memiliki tiga fungsi: membedakan warna dan pengaturan cahaya, dan berfungsi sebagai lampu



Perangkat lunak yang mudah, yang digunakan (PC dan Mac) dengan pemrograman drag-and-drop icon-based dan 16 proyek contoh yang mudah dan manual pemrograman; petunjuk pembangunan untuk 4 robot baru yang menarik.



612 keping komponen Lego

3.4 Perangkat Lunak LabVIEW Untuk keperluan perangkat lunak pengendali, akusisi dan pengolahan citra diguanakan perangkat lunak LabVIEW profesional Development System 2011yang dilengkapi dengan opsi image acquisition dan vision.Perangkat lunak ini sangat fleksibel dan memiliki fungsi yang cukup memadai dalam akusisi data, komunikasi dengan perangkat video grabing, kendali dengan mindstorm NXT dan pengolahan citra. Fitur pengolahan citra akan lebih detail dibahas dalam bagian hasil dan pembahasan.

4. HASIL DAN PEMBAHASAN Dengan mempertimbangkan berbagai aspek yang sudah dijelaskan dalam dasar teori dan menggunakan peralatan yang ada dan sudah dipesan disusunlah sebuah rancang bangun sistem digital radiografi untuk industri. Sistem secara umum terdiri dari tiga bagian dengan satu komputer kendali dan analisis. Ketiga bagian tersebut adalah Tabung sinar-x dengan sistem kendalinya, Meja putar dengan sistem kendalinya dan detektor flat panel dengan sistem akusisi data. Secara umum rancang bangun sistem secara keseluruhan tampak pada gambar 10

- 270 -


Gambar 10. Rancang bangun sistem digital radiografi secara keseluruhan Sistem akusisi data menggunakan detektor flat panel DMC 12 DR produk Dongmun Korea, yang sudah dilengkapi dengan unit kendalinya. Komunikasi antara unit kendali dengan komputer master menggunakan kabel jaringan Ethernet.

Gambar 11. Detektor Flat Panel dan unit kendalinya[3] Perangkat lunak akusisi data dilengkapi dengan Flat field calibration. Fungsi ini sangat penting mengingat ketika sinar-x dikenakan pada spesimen standar yang rata, maka citra bagian tengah akan mendapat ekspos yang lebih besar, atau dengan kata lain bagian tengah akan lebih terang dibanding bagian samping/ luar. Ilustrasi Flat field correction tampak pada gambar 12 berikut ini.

- 271 -


Gambar 12. Flat Field Correction Untuk mendapatkan citra yang stabil dan keperluan tomografi pada tahap selanjutnya dari perekayasaan ini, meja putar dipilih menggunakan tilting rotary table yang ada di pasaran. Penggunaan meja ini agar presisi putaran terjamin disamping desain dan kekuatan mekanik yang sudah teruji. Adanya gear reduction box yang sudah terintegrasi juga memudahkan integrasi dengan motor kendali dari Mindstorm NXT.

Gambar 13. Meja Putar yang akan digunakan (Tilting Rotary Table) Perangkat lunak pemroses citra yang ada pada program LabVIEW sudah sangat memadai untuk keperluan radiografi. Fungsi-fungsi yang sudah dicoba dan akan diguanakan antara lain diuraikan sebagai berikut: 

Deteksi pinggir (edge detection)



Filter citra dan analisis frekuensi



Pola dan matching geometri



Pengukuran objek



Kalibrasi spasial



Sistem koordinat

- 272 -


Gambar 14. Hasil Pengujian Detektor Flat Panel dengan spesimen berupa Detektor NaITl dengan PMTnya (70 kV, 50 mA, 0,1 detik) 4. KESIMPULAN Telah dilakukan rancang bangun sistem digital radiografi dengan menggunakan pesawat sinar-x, detektor flat panel, meja putar, sistem kendali dan perangkat lunak pengendali. Desain mempertimbangkan segala aspek yang harus dipertimbangkan untuk mendapatkan citra radiografi digital yang memenuhi standar. Pengembangan perekayasaan ini akan dilanjutkan dengan pembuatan dan perakitan sistem serta penambahan fitur tomografi untuk digunakan dalam mengamati produk-produk logam hasil pengecoran (casting product).

5. UCAPAN TERIMAKASIH Ucapan terima kasih penulis berikan kepada pihak PATIR-BATAN yang telah membantu memberikan ide dan pemanfaatan peralatan tabung sinar-x dalam kegiatan ini. Khususnya kepada Bp. Sigit Santoro, Bp. Kushartono dan Bp. Sugiharto yang sangat membantu Kegiatan ini.

6. DAFTAR PUSTAKA 1.

IAEA/RCA Regional Training Course on Digital Industrial Radiology and Computed Tomography Applications in Industry Kajang, Malaysia, 2 – 6 November 2009.

2.

Digital Portable X-ray System DMC-12DR DMC-12DR Install Manual, Dongmun, Gyeonggi-do, Republic of Korea, 2012.

3.

Digital Portable X-ray System DMC-12DR DMC-12DR Operasion Manual, Dongmun, Gyeonggi-do, Republic of Korea, 2012.

4.

Digital Portable X-ray System DMC-12DR DMC-12DR User Manual, Dongmun, Gyeonggi-do, Republic of Korea, 2012.

- 273 -


5.

Christoper G. Relf, “Image Acquisition and Processing with LabVIEW, CRC Press, New York, 2003.

TANYA JAWAB Pertanyaan: 1.

Apa yang dipaparkan tadi adalah inti ilmunya, tapi dalam sistem tersebut diperlukan komponen-komponen penunjang supaya terintegrated. Bisakah komponen apa saja yang diperlukan secara keseluruhan? (Tri Harjanto)

2.

Mohon program seperti tersebut ada keberlanjutan yang terus menerus. (Tri Harjanto)

3.

Energi spektrum X-ray-nya sampai nilai berapa dan generator X-ray-nya apa digunakan untuk kontinyus bertahun-tahun? (Rony D)

4.

Apakah perangkat digital yang dirancang ini akan dibuat di PRPN? Penggunaannya pihak mana saja? (Naek Nababan)

Jawaban: 1.

Detail pembuatan sistem akan mendayagunakan seluruh sumberdaya di PRPN melalui pembuatan organisasi perekayasaan.

2.

Keberlanjutan kegiatan ini akan terus-menerus dengan koordinasi FGD NDT di BATAN yang melibatkan PATIR-PRPN-PTBIN.

3.

Pesawat sinar-X di PATIR adalah jenis kontinyu dengan pendingin air dan tegangan maksimum hingga 300 kV. Penggunaan kontinyu bertahun-tahun belum diujicobakan.

4.

Setelah jadi peralatan ini akan dipasang di showroom PATIR. Untuk tomografi gamma akan dipasang di PRPN.

- 274 -

PEREKAYASAAN PERANGKAT RADIOGRAFI DIGITAL UNTUK INDUSTRI

Recommend Documents